钛_钢多层爆炸焊接界面的实验研究.pdf

第 35 卷 第 1 期 2018 年 3 月 爆 破 BLASTING Vol. 35 No. 1 ▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂ Mar. 2018 doi 10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2018. 01. 020 钛/ 钢多层爆炸焊接界面的实验研究* 陈 沛 1， 段卫东1， 2， 唐玉成1 （1. 武汉科技大学 理学院， 武汉 430081; 2. 中铁港航-武科大技术研究中心， 武汉 430081 摘 要 为探究膨化硝铵炸药作用下， 厚度均为 2 mm 的钛 Ti 、 钢板的最优爆炸焊接参数以及验证一种 新的爆炸焊接试验方案， 实验采取阶梯型多层基板的爆炸焊接试验方案， 以控制药量和间距为变量， 并将 Ti 板作为复板， 同时对多层阶梯型钢基板进行爆炸焊接试验； 利用金相显微镜对焊接复合板进行观察， 并分析 多层基板同时焊接的方案可行性以及不同实验参数对界面波形的影响。试验结果和分析表明 通过观察 Ti/ 钢复合板界面波形呈正弦微波状且无明显过渡层， 验证了新方案的可行性， 同时突出了阶梯型多层基板的同 时爆炸焊接方案， 能够在单次试验下对比分析不同基复板间距情况下的焊接效果的能力； 并经分析得出在单 位面积装药为 1. 048 g/ cm2及装药间距范围为 9 11 mm 时， 能得到质量较佳的 Ti/ 钢爆炸复合板。 关键词 爆炸焊接；多层基板；界面波形；爆炸参数；间距 中图分类号 TD235 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X 2018 01 -0123 -07 Experimental Research on Explosive Welding Interface of Titanium/ Multilayer Steel Plates CHEN Pei1， DUAN Wei-dong1， 2， TANG Yu-cheng1 （1. College of Science， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan 430081， China; 2. CRPCE-WUST Blasting Technology Research Center， Wuhan 430081， China Abstract In order to explore the optimum explosive welding parameters of titanium and steel plates which the thickness is 2 mm， and verify a new explosive welding test scheme， under the effect of expanded ammonium nitrate explosive. The experiment of explosive welding of stepped multilayer immobile plates was carried out in actual test. The charge and spacing are taken as variables. Titanium plate was used as fly plate and titanium and multilayer steel plates were welded at the same time. The welding composite plates were observed by metallographic microscope. And the practicability of simultaneous welding multilayer immobile plates and the effects of different experimental parame- ters on interface wave were analyzed. Experimental results and analysis show that the interfaces wave of Ti/ steel clad plates is sine-like and small. There is no obvious transition layer between the bonding interfaces and vali- date the practicability of the new experimental scheme. Highlighted this new experimental schemes ability to com- pare and analyze different welding results of different spacing under single test. Compared different tested results， the best spacing parameter is valued between（9 11mm with the explosive charge is 1. 048 g/ cm2. Under this condi- tion， good quality of explosive welding Ti/ steel clad plates is the best. Key words explosive welding;multilayer immobile plates;interface wave;explosive parameters;spacing 收稿日期 2017 -10 -27 作者简介 陈 沛 （1993 - ， 男， 武汉科技大学硕士研究生， 从事控 制爆破方面研究，（E-mail 1185130140 qq. com。 通讯作者 段卫东 （1965 - ， 男， 武汉科技大学教授、 博士， 从事特种 爆破方面研究，（E-mail 199377168 qq. com。 基金项目 国家自然科学基金项目 （No 51004079 ;湖北省自然科学 基金 （No 2014CFB822 爆炸焊接的技术是近几十年出现的一种新的焊 接技术， 钛以及钛合金具有很多优点， 如质量轻， 耐 高温腐蚀， 强度大。其在如石化、 航空航天、 海洋工 程等领域均有诸多应用 [1， 2]。在研究钛/ 钢爆炸焊 万方数据 接的试验中， 一次爆炸焊接试验需要消耗面积较大 的钛板， 若钛板面积过小， 容易因边界效应而导致焊 接效果不稳定， 因此常造成的钛板材料的浪费。张 越举 [3]， 高文柱等人讨论了钛/ 钢爆炸焊接的焊接 工艺参数 [4]， 但就试验方法而言， 没有考虑到经济 性， 造成试验成本的升高。多数情况下， 钛/ 钢爆炸 焊接的装药量比较大， 而得到的焊接面波形粗大， 这 样得到的焊接质量并不理想。因此需要采用模拟试 验， 根据基复板之间的间距来进行模拟试验。同时 对传统的试验方案进行改良， 采取一层复板， 多层基 板的焊接方案， 结合实际测量的爆速数据进行分析， 试验在一次起爆就可以得到多个不同的焊接结果， 可以有效控制多次起爆所引起的误差， 进而获得比 较好的效果。 1 试验研究 1. 1 实验材料 试验采用的炸药种类为膨化硝铵炸药， 根据该 种炸药的特性， 其密度可随其装填的紧密程度变化， 即密度可调节。实践经验表明， 炸药的密度越大， 炸 药的爆速越高。爆炸焊接的基复板分别使用 435 不 锈钢和纯钛板。实验材料的主要性能如表 1 所示。 考虑到多层基板的叠加厚度和方便的控制间距增 量， 故选取基板厚度较小。复板及每层基板的厚度 均为 2 mm。基复板尺寸表如表 2 所示， 其中第一组 和第二组的基板分别为阶梯型放置。自上而下基板 尺寸从小到大层层叠加放置， 并且在一侧对齐。 基复板面积不宜过小， 面积过小会导致焊接效 果不稳定， 面积太大又会造成浪费。因而选取面积 适中的尺寸作为模拟试验材料。复板的面积应比基 板面积稍大， 为消除边界效应的影响， 四周应超出基 板装药厚度的长度为宜。 表 1 试验材料主要参数表 Table 1 Main parameters of test material 材料名称 密度/ （gcm -3 维氏硬度 Hv/ （kgfmm -2 弹性模量 E/ GPa 435 钢7. 87200159 Ti4. 55205178 表 2 基复板尺寸 Table 2 Size of immobile plates and fly plates 组数类别种类厚度/ mm尺寸/ mm mm 第一、 二组复板Ti2230 130 第一组基板434 钢260 100、 100 100、 140 100、 180 100 第二组基板434 钢236 100、 72 100、 108 100、 144 100、 180 100 1. 2 炸药药量计算 炸药的作用对象为复板， 因此炸药的药量与复 板有直接联系。复板飞行的速度下限计算公式由邓 伟， 蔺宇龙等人文章中所述的 Deribas 等提出的计算 公式 [5， 6] VP min K Hv ρ 1/2 （1 式中 VP min为复板飞行速度下限; K 为常数， 其 取值在 （0. 6 1. 2 之间; Hv 为复板维氏硬度; ρ 为 复板密度。 一般情况下， 当复板的表面清洁的无杂质， 较为 平整时， 式 （1 中 K 取0. 6。根据复板维氏硬度和密 度即可计算出焊接窗口下的复板的最小速度 VP， 根 据特里巴斯 （дериǒас 一维复板飞行运动公式有 [7] VP 1. 2Vd （32C/27mf 1 1/2 - 1 （32C/27mf 1 1/2 1 （2 式中 VP为复板飞行速度 Vd为炸药的爆轰速 度; C 为单位面积装药量; mf为单位面积的复板质量。 炸药爆速的取值根据实际使用的炸药种类进行 确定， 根据式 （1 和式 （2 联立， 则可根据炸药爆速 Vd计算出复板单位面积的药量 mf， 并结合复板面积 就可计算出总装药量。计算表明， 在复板材料确定 的情况下， 装药量主要由炸药爆速控制， 炸药的爆速 高则应适当减少装药量， 黄文尧等人研究表明试验 采用低爆速炸药有助于形成微波状结合 [8]。 对药量进行初步计算， 根据表 1、 2 可有以下参 数， 复板单位面积的质量 mf为0.91 g/ cm3， 考虑到砂 纸打磨光滑度不够， 因此取常数 K 为1 计算复板所需 要的最小飞行速度， 根据 （1 式可计算出 VP min， 有 VP min K Hv ρ 1/2 1 205 9. 8 106 4500 1/2 （m/ s 664 m/ s （3 爆炸 焊 接 爆 速 不 宜 过 高 [9]， 计 算 取 爆 速 V d 为 2600 m/ s， 则结合式 （3 结果代入式 （2 中可有 （32C/27mf 1 1/2 1. 538（4 结合复板单位面积质量 mf为 0. 91g/ cm3， 可求 出单位面积装药量为 421爆 破 2018 年 3 月 万方数据 C 27mf（1. 5382- 1 /32 27 0. 91 （1. 5382- 1 /32 1. 048 g/ cm2（5 根据式 （5 分析可有， 炸药的爆速越高， 所需要 的装药量就越小， 在爆速为 2600 m/ s 的假设条件 下， 所需要的最大装药量为 313. 25 g， 即在试验中所 需的药量应不超过该药量， 应控制在其范围内。经 过同样的分析在爆速为 3470 m/ s 的情况下， 所需要 的药量仅为 284 g。 在试验进行过程中， 两次所取的药量分别为 407 g 和 272 g， 根据前文分析， 显然 407 g 的装药量 过大， 药量过大的后果就使得炸药爆速过高， 容易在 焊接截面形成过融现象， 使焊接界面出现缺陷， 造成 焊接质量下降。因此在第二组试验中， 降低装药量， 使炸药密度下降， 达到更好的焊接效果。 1. 3 试验方案与过程 一层复板， 阶梯型多层基板同时爆炸焊接的设 计方案不同于传统单层基、 复板的爆炸焊接。该试 验方案较传统单层基、 复板实验有如下优点（1 实 验所用材料成本低。钛是一种高价金属， 传统试验 方案一块钛板只能考虑一种焊接参数的一个工况， 故而十分耗费材料。相比之下， 新型试验方案一次 可根据实际需要设置多层基板， 减小横向对比所需 要的材料成本。 （2 实验效率高。就所述实验方案 来说， 通常一次传统的单层基、 复板试验的实验准备 就需要 2 3 h， 而多层基板则相对节约了多次实验 的时间， 因此更为高效。 （3 变量控制更加稳定。 爆炸焊接所用的炸药药量也是影响爆炸焊接质量的 重要因素， 在研究基、 复板间距对焊接质量的影响 时， 需要控制药量不变， 若多次操作则会有偶然误差 增加的几率。而采用新型的实验方案则无需要担心 药量的改变， 一次实验只用一根雷管起爆一定质量 的炸药， 使炸药量固定， 故而组内对比偶然性更低。 新型试验方案的装置中复板采取平行放置， 试验装 置如图 1 所示。 图 1 爆炸焊接装置 Fig. 1 Explosive welding device 试验方案分为两组进行， 组内控制基板与复板 之间的间距为唯一变量， 组间控制装药量即装药密 度。在试验过程中， 采用测时仪法对炸药爆速进行 测量， 在盒型装药中埋有自制爆速仪探针， 实现测量 爆速与爆炸焊接同时进行， 试验采用 BSW-3A 型智 能五段爆速仪。爆速仪的工作原理为断融式测速原 理。爆炸焊接时， 焊接装置置于空气爆炸罐内， 采用 电雷管起爆， 测速探针通过爆炸罐接线柱连接至罐 外爆速仪。 进行试验时需要注意以下几点（1 起爆雷管 应放置在多层基板的一侧， 其目的是避免复板与逐 层升高的基板碰撞而消耗过多的动能， 从而不能完 整的实现多层基板同时焊接。 （2 炸药与复板之间 涂有厚度为 1 mm 的黄油防护层， 为防止炸药爆炸 产生的大量爆热融化钛板表面， 进而影响焊接质量。 （3 炸药水平轴线上每间隔 50 mm 垂直插有测量爆 速探针， 探针需要固定， 不能有松动。松动的探针与 炸药接触不紧密， 炸药爆轰时有可能出现不熔接， 易 导致无法测量爆速。 （4 为避免爆炸焊接边界效应 对焊接质量的影响， 复板及装药尺寸大于基板四周 的装药高度 hw的距离， 根据段卫东等研究 [10]， 爆炸 焊接的边界效应的影响范围一般为装药高度 hw， 采 取加大复板的面积， 来减小其影响。 （5 复板与钢 基础之间的支撑采用纸质柱支撑， 不宜采用刚性支 撑。 （6 试验采用钢板作为基础， 试验结果反应良 好。 （7 试验实时所测得的炸药爆速， 共有三个数 据， 以其平均值作为炸药的爆速数据。 在试验过程中发现第一组试验结果焊接效果不 佳， 经分析为爆速过高， 为得到更好的焊接质量， 第 二组试验除改变装药密度外， 也拓宽间距的取值范 围， 便于更好的优选试验参数， 改进后的试验方案及 试验结果如表 3 所示， 表 3 中编号为 1 4 的数据为 第一组试验结果， 编号为 5 9 的数据为第二组试验 结果。 521第 35 卷 第 1 期 陈 沛， 段卫东， 唐玉成 钛/ 钢多层爆炸焊接界面的实验研究 万方数据 表 3 改进后的试验方案及试验结果 Table 3 Improved test scheme and test results 序号金属材料间距/ mm 炸药密度/ （gcm -3 爆速/ （ms -1 波幅/ mm 焊接效果 半波长/ mm周期/ mm 1Ti - 钢5. 00. 68134700. 0890. 3130. 570 2Ti - 钢7. 00. 68134700. 1390. 3650. 587 3Ti - 钢9. 00. 68134700. 1960. 5050. 796 4Ti - 钢11. 00. 68134700. 1760. 5530. 715 5Ti - 钢2. 50. 5052760波纹平直不理想 6Ti - 钢4. 50. 5052760波纹平直不理想 7Ti - 钢6. 50. 50527600. 1020. 3310. 531 8Ti - 钢8. 50. 50527600. 1340. 3760. 439 9Ti - 钢10. 50. 50527600. 1220. 3700. 648 2 试验结果分析 爆炸焊接试验之后， 需要对试验复合板进行切 割、 打磨、 腐蚀清洗处理。切割采用线切割机进行。 切割之后需要进行初步打磨， 打磨材料选择不同目 数的砂纸由粗到细逐步打磨， 所用的砂纸目数分别 为 200、 500、 2500、 7000的砂纸， 以打磨掉材料 表面的氧化层和杂质， 使其光亮平整。然后再用干 净的棉花蘸取丙酮溶液擦拭材料表面。腐蚀剂选用 硝酸和氢氟酸混合溶液， 预处理之后放置在金相显 微镜下观察 [11]。编号为 a d 的第一组试验金相照 片如图 2 所示。 图 2 第一组焊接界面波金相照片 Fig. 2 Metallographs of the first group welding interface wave 图 2 中编号为 a、 b、 c、 d 的金相照片分别对应表 2 中的 1、 2、 3、 4 号试验。爆炸焊接界面波形主要分 为 3 类 平直细小波形， 微波状， 大波状。根据界面 波形来判断焊接质量的好坏， 主要观察其焊接界面 的波形是否呈均匀微波状结合 [12]。观察图 2 中编 号为 b、 c 的钛/ 钢焊接界面的波形发现， 其波形并非 621爆 破 2018 年 3 月 万方数据 为理想正弦波形， 而是在钢基板的波峰右侧出现了 白色的漩涡状组织， 经分析发现该白色漩涡为基板 金属射流冲击复板而出现的结晶熔池， 是一种冶金 缺陷， 同时在结晶熔池附近出现了一些气孔对复合 板的质量有一定的影响。结合表 2 中第一组所测的 实时爆速进行分析， 可以得出出现该现象的原因是 炸药的爆速 Vd过高， 基板与复板碰撞而产生的金属 射流在冲击复板之后折射返回基板处压力仍然巨 大， 以至于在较低间距下都形成了漩涡状的结晶熔 池和气孔， 在 b、 c 中甚至有基板金属脱落现象出现。 分析表 2 中界面波形波幅等数据， 绘制出界面 波形特征图， 如图 3 所示。 对图 3 进行分析， 不难得出随着爆炸焊接间距 的增加， 界面波形的波幅、 半波长以及周期呈增大的 趋势。尤其是当取间距为 9 mm 时， 界面波的各项 参数都达到最大， 这为选取钛/ 钢爆炸焊接的最优间 距提供了方向。但结合 a d 号复合板金相照片分 析， a 号复合板界面波纹细小， 不构成波状结合， 焊 接效果不理想。虽然 b、 c 号界面呈波状结合， 又因 该次试验爆速过高而导致的其出现结晶熔池及气 孔， 表明该次试验效果并不理想。d 图所示的试验 复合板出现较好的结合界面， 既呈波状结合， 又没有 出现缺陷， 说明在该间距下， 焊接效果良好。在结合 其间距参数的前提下， 控制炸药爆速进行改进试验， 并有改进后试验所得的界面金相照片如图 4 所示。 图 3 第一组界面波形特征图 Fig. 3 The first group interface wave features 图 4 第二组焊接界面金相照片 Fig. 4 Metallographs of the second group welding interface wave 图 4 中编号 a、 b、 c、 d 金相照片分别对应表 2 中 6、 7、 8、 9 号试验。编号为 5 的试验相照片与 a 相 似， 不成波状结合， 波纹平直。改进后的试验组实时 所测得爆速为 2760 m/ s， 明显小于第一次试验， 所 得到的焊接界面质量更好。观察图 4 中各金相照 片， 钛板和钢板之间的结合界面在合适的间距参数 721第 35 卷 第 1 期 陈 沛， 段卫东， 唐玉成 钛/ 钢多层爆炸焊接界面的实验研究 万方数据 下呈规则的正弦波状， 没有明显的杂质， 也没有前文 所提的结晶熔池和气孔出现， 两种金属之间分界明 显， 没有过渡层出现， 实现原子与原子间的直接结 合， 表明焊接效果良好。 分析第二组试验界面波的特征数据， 绘制图 5。 图 5 第二组界面波形特征图 Fig. 5 The second group interface wave features 分析所能测得的波形数据， 界面波幅随间距的 增加先增加后减少， 并推测在 （9 11mm 之间得 到最佳的结合波形， 该趋势在图 3 和图 5 中均有体 现。在图 5 所示的结果分析中， 伴随着该趋势所出 现的是良好的界面波形， 界面波形呈正弦微波状。 在大量的实践中所得出的结论表明， 正弦微波状界 面波形是最佳的结合界面。在采取多层阶梯基板， 一层复板的爆炸焊接方案下， 既然能得到较好的波 形发展趋势， 即说明该方案是切实可行的。 3 结论 （1 前文所进行的试验及其结果分析提出并验 证了一种新的爆炸焊接方案阶梯型多层基板同时 爆炸焊接方案。在该方案的指导下， 钛/ 钢复合板焊 接界面焊接质量较好， 并观察得到随间距改变而规 律化发展的波形， 突出其成本低、 高效、 稳定的优点， 为相似研究提供参考。 （2 根据两组复合板焊接界面的对比分析， 在 装药密度为 0. 505 g/ cm3左右的膨化硝铵炸药作用 下， 选取复板厚度为 2 mm， 单位面积装药量为 1. 048 g/ cm2， 选取间距为 （9 11mm 时， 钛、 钢金 属板的爆炸焊接界面的界面波形参数最佳且呈微波 状结合， 无气泡， 无结晶熔池， 金属过渡层不明显， 两 种金属紧密结合， 焊接质量好。 参考文献 References [1] 朱知寿. 我国航空用钛合金技术研究现状及发展 [J] . 航空材料学报， 2014， 34 （4 55-50. 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